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第六章 电化学加工技术 电化学加工（Electrochemical Machining 简称ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。 几个基本概念： 电极电位 电极的极化 钝化 电流密度 电流效率 1.1 电化学加工的原理与特点 1. 电化学加工的原理 图1-1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu+2。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片(电极)和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。溶液中的离子将作定向移动，Cu+2正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。 在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu+2正离子进入溶液。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图1-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜)的方法即电化学加工。 2. 电化学加工的分类 电化学加工有三种不同的类型。第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 Ⅲ 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工的类别如表1所示。 3. 电化学加工的适用范围 电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。 电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。 1.2 电解加工 1．电解加工的原理及特点 1) 基本原理 电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。如图2-1所示，在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源，使工具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1～0.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。 随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。 2) 特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点: (1) 能加工各种硬度和强度的材料。只要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。 (2) 生产率高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 (3) 表面质量好，电解加工不产生残余应力和变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.2～1.25 μm，平均加工精度±0.05mm左右。 (4) 阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。 电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.15～0.30 mm。此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。 2. 电解加工设备 电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。 1) 直流电源 电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用见表2。 新型功率半导体器件 功率MOSFET一种电流垂直流动的双扩散MOS场效应管功率集成器件，电压控制型多数载流子器件，电压控制通断，开关频率高，驱动电路损耗小，驱动电路简单，易于并联，可实现大电流通断。 IGBT：绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种N沟道增强型场控(电压)复合器件，它属于少子器件类，兼有功率MOSFET和双极性器件的优点：输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近GTR的饱和压降）、耐压高、电流大。其缺点是不好并联。 MCT：MOS控制晶闸管MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一种新型MOS与双极复合型器件，它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT既具有晶闸管良好